漫談超導前世今生——神奇的「第二類超導體」你了解嗎？

編者按：

2017年3月29日，俄羅斯物理學家Alexei Alexeyevich Abrikosov 去世，享年88歲。

2003年，他因發現和解釋了能在強磁場中保持超導性能的第二類超導體榮獲諾貝爾物理學獎。在此，僅以此文紀念這位物理學大師。

俄羅斯物理學家Alexei Alexeyevich Abrikosov

撰文 | 林 梅

在最近的文章中，我們總是告訴大家，超導體有一個神奇的性質——內部磁感應強度為零。正是這條性質的發現，打開了人們認識超導的大門。

圖一：普通超導體的內部無磁通線穿過

但是，這種常規意義上的超導體在應用上有一個問題，就是它經受不住強磁場或強電流的環境，一旦磁場或電流稍大一些，超導材料就會被破壞，進入有電阻的正常狀態。可想而知，強場下的應用因此受到了限制。

1957年，Alexi Abrikosov發現，存在與常規超導體不同的「第二類超導體」，他因此獲得了2003年諾貝爾獎。

對第二類超導體來說，隨著磁場增強，超導態和正常態之間並不是直接轉換的，它們中間隔著一個過渡區——混合態（如圖二所示）。處於混合態的時候，材料內部是允許有磁場進入的。

Abrikosov預言磁場的進入是以磁通線的形式，每一個磁通線所對應的的磁通量是一個磁通量子（Φ0=h/2e=2.07E-15韋伯），這一點與第一類超導體有很大區別。

正是通過對這個混合態的利用，人們實現了第二類超導體在強電應用領域的廣泛應用，我們如今耳熟能詳的超導電纜輸電、磁約束受控核聚變等強場領域都離不開第二類超導體的幫助。如NbTi，Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ga，Nb3Ge等都是所謂的第二類超導體。

圖二：第一類超導體與第二類超導體狀態區別

圖三：第二類超導體內部磁場三種情況

對於第二類超導體來說，當溫度降到臨界溫度以下時，我們對它施以外加磁場，隨著外加磁場增大，超導體內部的磁感應強度可能有三種情況:

1.當外加磁場比較小時，內部沒有磁通線，這就是我們通常理解的超導態。

2.隨著外加磁場增大到某個值，超導體內部開始出現了第一根磁通線，這時的外加磁場大小我們稱其為下臨界磁場。

在這種狀態下，隨著磁場的增大，磁通線分布並不是處處一樣，而是必須排成點陣才使體內的能量最低。如果我們用磁粉撒上去，就可以觀察到這樣的點陣「小格子」。這種狀態，叫做「第二類超導體」的混合態。

圖四：第二類超導體混合態

3.外加磁場持續增大，到某個數值時，材料完全轉化為正常態。這時的外加磁場大小叫做上臨界磁場。

科學家於是想，如果可以利用第二類超導體的混合態，讓混合態也能實現超導，那超導材料可以耐受的磁場範圍不是大大增加了嗎？想要實現這一點，混合態的超導材料有沒有什麼特殊性質可以被人們利用呢？

圖五：第二類超導體上、下臨界磁場隨溫度的變化情況

我們先來看看，對於內部有磁通線的處於混合態的超導體，它有什麼比較特殊的性質呢？

它可能會有電阻。

為什麼會這樣呢？這是因為當超導體通有電流的時候，電流產生的洛倫茲力會與格子狀的磁通線發生相互作用，導致原本靜止的磁通線沿某一方向移動，從而在電流方向產生電壓，於是不再存在無阻電流。

我們知道，今天很多用來產生穩定強磁場的設備，都是利用了超導體無電阻的性質，如果隨著磁場和電流增大，連超導體都有了電阻，我們還怎麼利用它呢？

所以，我們必須克服這個問題，解決混合態存在超導的問題，擴大超導材料的應用範圍。

既然電阻是由於磁通線定向移動產生的，那我們用「釘子」把磁通線「釘住」不就行了嘛？你還別說，人們真找到了這樣的釘子。

這個釘子，就是「缺陷」。

當第二類超導體中存在高密度缺陷[1]，這些缺陷與磁通線相互作用，為了保持能量最低，缺陷會對磁通線產生一種「釘扎能力」，只要這個釘扎能力大於洛倫茲力對磁通線的作用，就能把磁通線釘住，不讓他移動。磁通線不移動了，也就不會產生電場了，電子也就不會因為電場而產生散射，電阻的問題解決了。

結合圖五，我們可以想像，作為想利用超導體的研究人員，十分關心第二類超導體的兩個參量——一是臨界溫度，臨界溫度越高，我們就越可能在比較容易實現的溫度下讓材料進入超導態；第二就是上臨界磁場，上臨界磁場越高，也就越能在比較大的外部磁場下保持超導態或混合態。

但是，短期來看，實現上述兩個目標並不十分容易，所以，從應用的角度說，人們更關心電流和磁場、溫度的關係。

如圖六所示，超導材料的三個重要參數轉換溫度Tc、臨界電流Jc、臨界磁場Hc遵循此消彼長的關係，材料只有在藍色區域內才能保持超導。人們希望在溫度和磁場一定的條件下，提高臨界電流密度[2]，使得超導材料能夠承載更大的電流，這是擴大超導材料應用範圍的一個最切實可行的思路。

圖六：實用超導材料的三個重要參數

於是，在實際生產中，人們千方百計利用各種方法（包括退火處理引入非超導相、儘可能多引入晶界缺陷等）在超導材料中引入納米尺度的缺陷，提高釘扎力，從而提高臨界電流密度，一步步提升著第二類超導體在高溫高場下的應用潛力。

注釋：

[1]這種存在高密度缺陷的第二類超導體叫做非理想第二類超導體。

[2]在給定的溫度和磁場下，超導體保持超導態時所能傳輸的最大電流稱為臨界電流。單位橫截面超導體所能無阻傳輸的最大電流稱為臨界電流密度。

本文獲授權轉載自微信公號《墨子沙龍》。感謝中國科大李曉光教授、中科院物理所鄭東寧研究員對本文成文的幫助。

製版編輯：李 赫丨

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